流量系数的计算.doc

(完整版)流量系数的计算1 流量系数KV的来历调节阀同孔板一样，是一个局部阻力元件.前者，由于节流面积可以由阀芯的移动来改变,因此是一个可变的节流元件；后者只不过孔径不能改变而已。可是，我们把调节阀模拟成孔板节流形式，见图21.对不可压流体，代入伯努利方程为：（1) 解出 命 图21 调节阀节流模拟再根据连续方程Q AV，与上面公式连解可得： （2）这就是调节阀的流量方程,推导中代号及单位为：V1 、V2 - 节流前后速度；V 平均流速;P1 、P2 - 节流前后压力，100KPa；A - 节流面积,cm；Q 流量，cmS；- 阻力系数；r - 重度,Kgfcm；g 加速度，g = 981cm/s ；如果将上述Q、P1、P2 、r采用工程单位，即：Q m3/ h；P1 、P2 - 100KPa； rgf/cm3。于是公式（2）变为： (3)再令流量Q的系数 为Kv，即:Kv 或(4）这就是流量系数Kv的来历.从流量系数Kv的来历及含义中，我们可以推论出：（1)Kv值有两个表达式:Kv = 和 （2）用Kv公式可求阀的阻力系数 = （5。04A/Kv）（5。04A/Kv）；（3） ，可见阀阻力越大Kv值越小；（4） ；所以，口径越大Kv越大。2 流量系数定义在前面不可压流体的流量方程（3)中,令流量Q的系数 为Kv,故Kv 称流量系数；另一方面，从公式(4）中知道:KvQ ，即Kv 的大小反映调节阀流量Q的大小.流量系数Kv国内习惯称为流通能力，现新国际已改称为流量系数。2.1 流量系数定义对不可压流体，Kv是Q、P的函数。不同P、r时Kv值不同。为反映不同调节阀结构,不同口径流量系数的大小，需要跟调节阀统一一个试验条件，在相同试验条件下，Kv的大小就反映了该调节阀的流量系数的大小。于是调节阀流量系数Kv的定义为：当调节阀全开，阀两端压差P为100KPa，流体重度r为lgf/cm (即常温水)时,每小时流经调节阀的流量数（因为此时 ），以m/h 或 th计。例如:有一台Kv 50的调节阀，则表示当阀两端压差为100KPa时,每小时的水量是50m h。Kv0。1， 阀两端压差为167（83)2。50，气体重度约为1。0E（6）,每小时流量大约为158 m h。43L/s=4。3/0。1sKv0。1， 阀两端压差为1.67，气体重度约为12.2 Kv与Cv值的换算国外，流量系数常以Cv表示，其定义的条件与国内不同。Cv的定义为：当调节阀全开，阀两端压差P为1磅英寸2，介质为60F清水时每分钟流经调节阀的流量数，以加仑分计。由于Kv与Cv定义不同，试验所测得的数值不同，它们之间的换算关系：Cv 1.167Kv （5） 2。3 推论从定义中我们可以明确在应用中需要注意的两个问题：（1)流量系数Kv不完全表示为阀的流量，唯一在当介质为常温水，压差为100KPa时,Kv才为流量Q；同样Kv 值下，r、P不同，通过阀的流量不同。（2）Kv是流量系数，故没单位。但是许多资料、说明书都错误地带上单位，值得改正。3 原流量系数Kv计算公式3.1 不可压流体的流量系数公式公式（4）是以不可压流体来推导的,此公式即为不可压流体的流量系数公式。 3。2 可压流体的流量系数公式可压流体由于考虑的角度不同，有不同的计算公式，主要采用的是压缩系数法和平均重度法两种。压缩系数法是在不可压流体流量系数公式（4）基础上乘上一个压缩系数 而来,即或并将r换算成标准状态(0、760mmHg）的气体重度： 于是得出 （6) 式中,压缩系数，由试验确定为 10.46PP1，在饱和状态时, PP1 0。5，此时流量不再随P的增加而增加,即产生了阻塞流（阻塞流的定义为：流体通过调节阀时，所达到的最大极限流量状态），见图22. 10.460。5 0。76;t介质温度，;N-在标准状态下的参数。用于蒸气计算时，计算公式略有不同，见表21.3。3 平均重度法平均重度法公式推导要复杂得多。在推导中将调节阀相当长度为L、断面为A的管道来代替，并假定介质为理想流体，当介质稳定地流过管道时，采用可压缩流体流量方程式：(2-11)式中， Lf摩擦功；g 加速度。在上式基础上,再引入三个辅助方程：理想气体多变热力过程的变化规律方程P1V1m 常数状态方程 P1V1 RT1 连续方程 VAv 常数以上三式中:v比容；m多变指数；R-气体常数；T绝对温度；V流速。由上述4个方程通过一系列纯数学推导（略），得到其流量方程为：为简化公式,把实际流动简化为等温度变化来处理，故取m1.同时，把物理常数代入，即可整理得: （7) 当 PP1 0。5时，流量饱和，故以 P 0。5P1 代入上式得： （8)同样，蒸气的计算公式也是在公式（7）、(8）基础上推导出来的。综合上述，把原各种介质的Kv值计算公式汇总在表21中。表21 原调节阀流量系数Kv值计算公式 流体压差条件计 算 公 式液 体G重量流量（th） 气体压缩系数法平均重度法一般气体一般气体蒸气 Gs重量流量 4 KV值计算新公式目前，调节阀计算技术国外发展很快，就KV值计算公式而言，早在20世纪70年代初ISA（国际标准协会标准）就规定了新的计算公式，国际电工委员会IEC也正在制定常用介质的计算公式。下面介绍一种在平均重度法公式基础上加以修正的新公式。4.1 原公式推导中存在的问题在前节的KV值计算公式推导中，我们可以看出原公式推导中存在如下问题:（1)把调节阀模拟为简单形式来推导后，未考虑与不同阀结构实际流动之间的修正问题。（2）在饱和状态下，阻塞流动(即流量不再随压差的增加）的差压条件为PP=0.5 ,同样未考虑不同阀结构对该临界点的影响问题.（3)未考虑低雷诺数和安装条件的影响。4。2 压力恢复系数 FL由P1在原公式的推导中，认为调节阀节流处由P1直接下降到P2，见图23中虚线所示。但实际上，压力变化曲线如图23中实线所示，存在差压力恢复的情况。不同结构的阀,压力恢复的情况不同。阻力越小的阀，恢复越厉害，越偏离原推导公式的压力曲线，原公式计算的结果与实际误差越大.因此，引入一个表示阀压力恢复程度的系数FL来对原公式进行修正.FL称为压力恢复系数（Pressure reecvery factor），其表达式为:(9)式中, 、 表示产生闪蒸时的缩流处压差和阀前后压差. 图23 阀内的压力恢复关键是FL的试验问题。用透明阀体试验，将会发现当节流处产生闪蒸，即在节流处产生气泡群时，Q就基本上不随着P的增加而增加。这个试验说明：产生闪蒸的临界压差就是产生阻塞流的临界压差，故FL又称临界流量系数（Critical flow factor），因此FL既可表示不同阀结构造成的压力恢复，以修正不同阀结构造成的流量系数计算误差，又可用于对正常流动，阻塞流动的差别，即FL定义公式（9）中的压差Pc就是该试验阀产生阻塞流动的临界压差。这样,当PPc时为正常流动，当PPc时为阻塞流动。从（9）公式中我们即可解出液体介质的Pc为：Pc = FL（P1-Pv)(10)由试验确定的各类阀的FL值见表23. 4。3 梅索尼兰公司的公式FL修正法1）对流体计算公式的修正当PPC时,为正常流动,仍采用原公式（4）；当PPc时，因P增加Q基本不增加，故以Pc值而不是P值代入公式（4)计算即可。当Pv0.5P1时，意味差有较大的闪蒸，此时Pc还应修正,由试验获得：(11）式中：Pc表示液体热力学临界点压力,见表24。 2）对气体计算公式的修正原产生阻塞流的临界差压条件是Pc0.5P1，即固定在PP10.5处,这和实际情况出入较大。实际上Pc仍与FL有关，由试验得临界压差条件为：Pc 0。5 FL P1 （12）利用FL概念推得的新公式有好几种，但以在原平均重度法公式基础上修正的新公式最简单、方便，即平均重度修正法,它只需将原阻塞流动下的计算公式除上FL即可。若要更精确些,则再除上一个系数（y0.14y），其中 。蒸气计算公式的修正同上。为了便于比较、应用，将采用FL修正的新公式和原公式汇总于表22中。归纳起来,有两个不同:一是流动状态差别式不同；二是在阻塞流动的情况下计算公式不同。引入了3个新的参数：FL、PC、(y0。148y） 介 质 流动状态原计算公式新计算公式流动状态判别计算式流动状态判断计算式液体 一般流动无同原计算式阻塞流动-当 时当 时气 体一般流动P/P1 10%没考虑高压阀小开度冲蚀以及小开度易振荡问题一般情况Kmin10高压关阀、阀稳定性差时Kmin1030式中代号Qi-某一开度的流量m/hK对应Qi的工作开度r介质重度,kg/cmKvi-对应Qi的计算流量系数Kv-调节阀的流量系数。P调节阀全开的压差，100KPa S压差分配比 5.4 计算实例例1 工作条件为：介质液氨,t33，r0。59g/cm，Pv15100KPa，Qmax15m/h，对应Qmax之P1、P2、Pmin为530、130、400100KPa,Qmin5m/h，Pmax500100KPa，S0。2，选用高压阀,直线特性,带定位器工作，求口径DN。解:(1）流量已确定为:Qmax15m/h；Qmin5m/h。（2）压差确定为：Pmin400100KPa,Pmax500100KPa。（3)Kv值计算：第一步：查表得FL0.8第二步：决定流动状态0.5P1PvPcFL（P1Pv）0。82（53015）320100KPa又PminPc均为阻塞流第三步：采用阻塞流动状态的Kv值计算公式 (4）根据Kvmax0。64查高压阀流量系数，得DN10，dg7其Kv1。0。（5）开度验算因Kv1只有直线特性，应采用直线特性验算公式，故有：Kmax 89，Kmin 10%,故Kv1。0验算合格.（6）可调比验算：R实际 = 10 R实际 验算合格（7)压差校核PP(因dsdg），校核通过。（8）结论：DN10，dg7,Kv1.0，验算合格。6 国际电工委员会推荐的新公式简介6.1 公式简介国际电工委员会（IEC）推荐公式见表26,对于液体，与表22中公式一样，只是气体计算公式方程有所不同。在考虑压力恢复系数FL的新概念基础上，不是表22中用FL对原平均重度法加以修正的形式，而是采用又一种新的修正方法膨胀系数修正重度法。膨胀系数修正重度法根据流量单位的不同,有体积流量和重量流量之分，前者用于一般气体；后者用于蒸气。对于一般气体,根据已知介质的标准重度rN、气体分子量M或对空气的比重G，有3种相对应的计算公式；对蒸气，根据已知的入口实际重度或分子量,有两个相对应的计算公式供选用.该方法比表22中推荐的平均重度修正法要复杂些。从表中可看出，膨胀系数修正重度法共引入了8个新的参数，其中物理参数4个：K、Pc、Tc、M；查图参数1个:Z；计算的参数3个：XT、FK、Y.由于考虑的因素多些，自然精度更高。 6。2 公式比较计算实例下面，举例看看原平均重度法、平均重度修正法、膨胀系数修正重度法在同样条件下的计算差别。例 已知二氧化碳QN76000Nm/h，rN1.977kg/m，P140100KPa（绝压），P222100KPa,t150，选用双座阀，求Kv值为多少？解：（1）按原平均重度法计算： 为一般流动，Kv值计算公式为： = 151.3（2）按平均重度修正法计算：查表得FL0.850.5FL0.50.850。36 0.450。5FL为阻塞流动，Kv值计算公式为： = 171。2(3）按膨胀系数修正重度法计算：查有关物理参数得:K1.3;PC75。42100KPa;TC304。2。根据PC、TC查图得Z0。827流动状态差别XT0。84FL0。840。850.61FKK/1.41.3/1.4表2-6 国际电工委员会推荐的新公式汇总表 介质流动状态 计算公式流动状态Kv值计算公式液体一般流动同表22推荐公式同表22推荐公式阻塞流动气体一般流动或 阻塞流动或 蒸气一般流动或 阻塞流动或 表中代号及单位已经熟悉的代号QN：气体标准状态下的流量Nm/h Gs：蒸气重量流量kg/hrN：气体标准状态下的重度kg/NmT1：入口绝对温度KP1:阀前绝压100Kpa r1：入口蒸气重度kg/mP：压差100Kpa （若为过热蒸气时,代入过热条件下的实际重度)G：对空气的比重 新引入的代号Fk：比热比系数FKK1。4Z：压缩系数（由比压力P4PC和比K:气体的绝热指数温度T1TC查表得PC为临界压力TC为临界温度)XT：临界压差比系数XT0。84FL Y：膨胀系数 Y = （Y的范围0.6671.0 ）M：气体的分子量 注:Pc、Z、K可进一步查阅GB262481或理化数据手册 XTFk0。611。3/1。40.57P/P10.45 XTFk为一般流动，采用公式为:Kv = 计算Kv值: Kv = （4）结论:由以上计算实例可见，采用平均重度修正法与膨胀系数修正重度计算结论基本一致，其Kv值为171.1171。2之间，而原平均重度法计算出的Kv值为151.3，差(171。2151。3）/151。313%。这个例子是比较巧合的.平均重度修正法与膨胀系数修正法实际计算结果有差别，而后者精度更高,但是计算复杂，推广应用还比较困难。前者精度低些,同时也考虑了FL的影响。由于它计算简便，需要的物理参数不多,使用起来更加方便.从满足工程应用和简化上看，作者推荐前者。